Ядерная электроника - Цитович А.П.
Скачать (прямая ссылка):
2.3.3. ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ
УСИЛИТЕЛЕЙ
Секции линейных усилителей часто выполняют на интегральных микросхемах. В качестве последних применяют так называемые операционные усилители, разработанные для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами; они являются узлами многофункционального применения.
Операционный усилитель, как правило, выполняется из нескольких каскадов, связанных между собой по постоянному току, имеет дифференциальные входы и однотактный выход (рис. 2.14). На входы можно подавать как дифференциальные сигналы, так и одиночные; в последнем случае один из входов заземляется. При поступлении сигнала на инвертирующий вход его фаза на выходе меняется, а при поступлении на неинвертирующий вход фаза сигнала остается прежней. Схема операционного усилителя рассчитана на включение внешних цепей обратной связи, которые определяют параметры узла в целом.
Структуру операционного усилителя рассмотрим на примере микросхемы 140УД1 (рис. 2.15,а). Схема состоит из двух дифференциальных каскадов на Tu T2 и T4, Ts и усилительного каскада Тт. Остальные активные элементы служат в качестве генерато- ВходьГ ров стабильного тока T13 и T8 и —
согласующего элемента T6; за-пертый диод Д\ работает в цепи частотной коррекции. Стоящий на входе дифференциальный кас-
^Инвертированный
' Неинвертированный
Выход
YlN
Рис. 2.14. Условное изображение дифференциального усилителя
3 Зак. 1319
65
ДБ
60
ZO
40
О 0,01 O1I 1,0 10,0
Частота, МГц 5)
Рис. 2.15. Принципиальная схема интегрального операционного усилителя типа 140УД1 (а) и его амплитудно-частотная характеристика (б)
кад Tь T2 обеспечивает большое входное сопротивление, кроме того, дифференциальная схема малочувствительна к флуктуациям питающего напряжения. Сравнительно мощный выходной каскад на эмиттерном повторителе позволяет просто выполнять внешние обратные связи и соединять между собой усилительные секции. Коэффициент усиления по напряжению в рассматриваемой схеме определяется обоими дифференциальными каскадами и усилительным каскадом на T7 и составляет несколько тысяч.
Высокий коэффициент усиления операционного усилителя позволяет вводить достаточно глубокую отрицательную обратную связь и тем самым стабилизировать параметры схемы. В секции линейного усилителя (рис. 2.16,а) отрицательная обратная связь выполнена по параллельной схеме, она создается цепью Rii R2 и корректирующей емкостью Со.с. Определим коэффициент усиления схемы для сигналов, на которые С0.с не оказывает заметного влияния.
Поскольку входное сопротивление операционного усилителя велико, то в него ток практически не поступает, и для точки, соот-
Рис. 2.16. Операционный усилитель с внешними цепями отрицательной обратной связи:
а и б — схемы с обратными связями параллельного типа; в — схема с обратной связью последовательного типа
66
ветствующей входу усилителя, можно записать равенство /Вх+ “Ь^о.с
Учитывая, что выходное сопротивление операционного усилителя и выходное сопротивление источника сигнала малы, можно записать
т ___^nx (UbuJK) . г __ Uвых ±ju вых IK)
R2 ’ °*с Ri
Решая эти уравнения и учитывая,, что К велик, находим ^Bbix ~ UvxR1ZRt.
Таким образом, на низких и средних частотах коэффициент усиления секции определяется внешней цепью обратной СВЯЗИ Ru i?2, следовательно, имеет высокую стабильность. Коэффициент усиления Ко.с секций обычно бывает от нескольких единиц до нескольких десятков, а коэффициент усиления операционного усилителя равен нескольким тысячам. Заметим, что отрицательная обратная связь помимо стабилизации коэффициента усиления улучшает также линейность амплитудной характеристики секции.
Каскады операционного усилителя связаны между собой по постоянному току, поэтому усилитель передает постоянную составляющую и его амплитудно-частотная характеристика начинается от нуля. На передачу высоких частот влияют частотные свойства отдельных каскадов, которые могут быть представлены в виде эквивалентных 7?С-цепей. В логарифмической амплитудно-частотной характеристике операционного усилителя наблюдаются характерные изломы, соответствующие граничным частотам отдельных каскадов. На высокой частоте каждый каскад вносит фазовый сдвиг на 90°; при большем числе каскадов суммарный фазовый сдвиг может достигать 180°, что, как уже отмечалось, при наличии отрицательной обратной связи и достаточно большом усилении приводит к самовозбуждению схемы. Поэтому в операционные усилители вводят корректирующие фазосдвигающие цепи и иногда ограничивается полоса пропускания.
Характеристика рассмотренного трехкаскадного ОУ (см. рис. 2.15,а) приведена на рис. 2.15Д Она имеет изломы fni и fn2 и частоту среза fc. Частота fn 1 практически является верхней граничной частотой. Она определяет правильную передачу переднего фронта сигнала. Для неискаженной передачи необходимо, чтобы время нарастания было ^H>l/4/ni. Для рассмотренного усилителя fni& 0,18 МГц и >1,4 мкс. Высокочастотная коррекция секции с замкнутой петлей обратной связи (рис. 2.16,а) ведется конденсатором C0.с. Постоянная времени цепи обратной связи устанавливается такой, чтобы характеристика секции была близка к характеристике однополюсной системы; при этом сигнал имеет однополярную форму и запас устойчивости максимален. Из нескольких секций с операционными усилителями составляется схема линейного усилителя.
